Fale grawitacyjne nowe okno na Wszechświat

Transkrypt

1 Seminarium PTF Katowice Fale grawitacyjne nowe okno na Wszechświat Marek Biesiada Zakład Astrofizyki i Kosmologii Instytut Fizyki Uniwersytetu Śląskiego

2 2017 Nobel Prize in Physics "for decisive contributions to the LIGO detector and the observation of gravitational waves". Rainer Weiss 1/2 Kip Thorne 1/4 Barry Barish 1/4 2

3 3

4 Ogólna Teoria Względności (1915): Albert Einstein G = mn 4 geometria 2 v c p c granica Newtonowska GM 2 rc p c 2 G T mn materia N Rozkład materii (energii) wyznacza geometrię czasoprzestrzeni przybliżenie słabego pola g mn h mn h mn = c = Ziemia Słońce WD NS 4p G Newtonowska grawitacja zawiera się w OTW jako przypadek graniczny 4

5 Tensor Einsteina Zapisane w postaci Tensor naprężeń Równania Einsteina T mn 8pG = T c 4 c = 8pG G Gmn 4 Moduł sprężystości mn mn Tensor energii-pędu Tensor odkształceń Formalna analogia z prawem Hooke a dla ośrodków sprężystych Wnioski: Czasoprzestrzeń jest ośrodkiem sprężystym fale grawitacyjne Jest ośrodkiem o bardzo dużej sprężystości Fale o małej amplitudzie mają dużą gęstość energii c pG 10 N 5

6 Fale Grawitacyjne Ogólna Teoria Względności: równania Einsteina Metryka: odległość w czasoprzestrzeni G mn = 8pG ds 2 = g mn dx m dx n T c 4 mn g mn h mn h mn w próżni h mn = 0 Przybliżenie słabego pola: czasoprzestrzeń jest zaburzoną przestrzenią Minkowskiego Równanie falowe dla zaburzenia metryki h mn 6

7 Fizyczny efekt fali grawitacyjnej h + h(t, z) = h mn e i (t-kz) = h (t - z/ c) h (t - z/ c) Polaryzacja + h(t) Polaryzacja x h L mn Fale: przestrzenne poprzeczne rozchodzące się z prędkością c t x y z h h 0 i( t-kz = e 0 h - h ) h x h = L / L Natężenie fali względna amplituda odkształcenia 7

8 Realność fal grawitacyjnych W 1936 Albert Einstein i Nathan Rosen wysłali do Phys.Rev. artykuł Do gravitational waves exist? kwestionujący istnienie fal grawitacyjnych. Recenzent Howard Percy Robertson 10 stron recenzji wykazującej błędy w rozumowaniu Odpowiedź Einsteina 8

9 Realność fal grawitacyjnych Nigdy więcej nie posłał pracy do Phys. Rev. Po przemyśleniu argumentów Robertsona w zmodyfikowanej wersji praca ukazała się w Journal of the Franklin Institute pod tytułem On gravitational wave fragment streszczenia 9

10 Realność fal grawitacyjnych Richard Feynman 1957 Konferencja relatywistów w Chapel Hill N.C. dowodzi, że fala grawitacyjna może wykonać pracę mechaniczną Felix Pirani, Herman Bondi stało się to inspiracją dla J. Webera Andrzej Trautman + Ivor Robinson 1962 nowa klasa rozwiązań r. Einsteina sferyczne fale grawitacyjne; dowodzi, że fale grawitacyjne przenoszą energię podał ścisłą definicję fali grawitacyjnej w pełnej (niezlinearyzowanej) wersji OTW! C.D.Hill, P. Nurowski arxiv:

11 A. Trautman zapalił zielone światło dla badania fal grawitacyjnych 11

12 Wspomnienia o Bohdanie Paczyńskim publications/ biographical-memoirs/ memoir-pdfs/ paczynski-bohdan.pdf 12

13 Wielkie pytania: Czy można na Ziemi wytworzyć fale grawitacyjne? Czy można zarejestrować fale grawitacyjne w laboratorium? Czy natura dostarcza nam źródeł fal grawitacyjnych? 13

14 Kwadrupolowa natura promieniowania grawitacyjnego h Moc promieniowania 5 c G 2 2 G d ( x, t) = Q ( ct r) 4 2 ij r c dt ij - 52 = W = Q M Oc s 2 ij L GW ( t) = d x ( x, t)( xi x j - ij x ) ij 1 G d Qij d Q L = GW c dt dt G c M L 5 M M = 10 6 kg L = 100 m ω = 20 rad /s L GW = W Odpada idea eksperymentu typu Hertza L rotująca belka hantle układ podwójny gwiazd 14

15 Kwadrupolowa natura promieniowania grawitacyjnego h 2 2 G d ( x, t) = Q ( ct r) 4 2 ij r c dt ij - Moc promieniowania 5 c 52 = W = G 5 M Oc s Joe Weber 1974 byłoby dobrze gdyby czynnik (c 5 /G) był w liczniku Podstawmy: 2 2 r c M = s 2G L Q ij ( t) = d x ( x, t)( xi x j - ij x ) 3 GW = 1 5 G 5 c L GW = v c c r G c d 3 dt Q ij 3 3 d Q 3 dt M L 5 L = 2r ij M L rotująca belka hantle układ podwójny gwiazd L G 2 rs c 2G 2 2r 4 v c 6 c r 6 G 5 c = 4 rs r 2 v c 6 5 c G Mechanizmy generacji fal grawitacyjnych są efektywne w układach o rozmiarach rzędu r g i prędkościach rzędu c 15

16 Kwadrupolowa natura promieniowania grawitacyjnego h 2 2 G d ( x, t) = Q ( ct r) 4 2 ij r c dt ij - 5 c 52 = W = G 5 M Oc s Mechanizmy generacji fal grawitacyjnych są efektywne w układach o rozmiarach rzędu r g i prędkościach rzędu c 2 Q ij ( t) = d x ( x, t)( xi x j - ij x ) 3 L GW Górna granica częstotliwości fali grawitacyjnej z układu podwójnego L G L G c GW = 1 5 G 5 c d 3 ij 3 dt Q M L 5 2 rs v 4 r c 6 5 c G 3 d Q 3 dt ij III prawo Keplera f GW = R Rs = 1 2p 2GM 2 c M L GM 3 R 3 1 c 4 M 0 f GW ( M ) 10 Hz 4 2p GM M rotująca belka hantle układ podwójny gwiazd 16

17 Górna granica częstotliwości fali grawitacyjnej z układu podwójnego 3 1 c 4 M 0 f GW ( M ) 10 Hz 4 2p GM M 1 M Hz (10 khz) gwiazdy neutronowe NS 10 M Hz (1 khz) 100 M Hz (0.1 khz) 10 3 M 0 10 Hz 10 6 M Hz (10 mhz) 10 9 M Hz (10 Hz) czarne dziury o masach gwiazdowych SMBH czarne dziury o masach pośrednich IMBH (w gromadach kulistych) supermasywne czarne dziury SMBH (w centrach galaktyk) LIGO pasmo częstotliwości 10 Hz 100 khz 17

18 Pośredni dowód istnienia fal grawitacyjnych Układ podwójny gwiazd neutronowych Hulse & Taylor - nagroda Nobla 1993 zmiana okresu: 30 sekund przez 25 lat 17 / sec ~ 8 hr f GW =35 Hz układ podwójny traci energię i moment pędu przez wypromieniowanie fal grawitacyjnych, w wyniku czego promień orbity maleje o 3mm w czasie jednego obiegu kiedyś (za 300 mln. lat) się zderzą! (tzw. koalescencja) Przewidywanie OTW 18

19 Ostatnie fazy ewolucji zwartego układu podwójnego (NS-NS, NS-BH, BH-BH) Adiabatyczna ewolucja znana (formalizm postnewtonowski) Drgania kwazinormalne znane 19

20 Relatywistyczny problem 2-ciał Rozwinięcie post Newtonowskie (PN) względem [npn = O( n )] Można tworzyć matryce sygnałów! v c 2 GM 2 rc p c 2 1 duża odległość wzajemna m2 1 m 1 Rachunki perturbacyjne dominuje jedno ciało 20

21 Źródło: Poszukiwania koalescencji zwartych układów podwójnych Układ podwójny BH-BH Jest on ukryty w szumie detektora: Produkuje taki sygnał: h Metodą dopasowania szablonu (optymalnym filtrem Wienera) wyławiamy sygnał z szumu: chirp waveform ćwierk 21

22 Idea standardowych syren Mierzymy amplitudę sygnału h(t) oraz dryf częstości df/dt 2 równania na 2 niewiadome: masa ćwierku M oraz odległość D B. Schutz 1986 B.Schutz, A. Królak 1987 D t 4c df ( t) -3 = f cos p h dt 0 f ( t') dt 2 ' 22

23 Pionierzy budowy detektorów fal grawitacyjnych Joseph Weber Vladimir Braginsky Wcześniejsze detektory rezonansowe Weber, Braginski, AURIGA, NAUTILUS, TIGA (sferyczny) mała czułość h wąski zakres częstotliwości 23

24 AURIGA Włochy ALLEGRO USA 24

25 Detektor interferometryczny Rainer Weiss, Ronald Drever GEO600 TAMA300 LIGO ok. 2000r VIRGO L laser L 4 km Arm lengths fotodetektor rozdzielacz lustra -16 h L ~ L km cm (promień protonu ~ cm) 25

26 Każdy detektor wyposażony jest w sieć czujników monitorujących parametry otoczenia 200,000 kanałów informacyjnych Szumy nieskorelowane antropogenne sejsmiczne szumy w układach OE blip transients skorelowane wyładowania atm. rozbłyski Słoneczne zburzenia magnetyczne promienie kosmiczne D. Reitze The Next Detectors for Gravitational Wave Astronomy, Beijing, April 6,

27 Czynniki kształtujące czułość detektorów naziemnych 27

28 Time Lapse: LIGO Sensitivity Progression Krzywe czułości detektora LIGO na różnych etapach ulepszania Upgrade LIGO do AdLIGO to koszt ok LHC 28 28

29 LIGO II generacji Całkowita przebudowa interferometrów LIGO 10x większa czułość, 1000x większa objętość zasięgu Tempo detekcji - O(10) zdarzeń rocznie przy nominalnej czułości Porównanie: O(100) galaktyk w zasięgu pierwszej fazy LIGO O(100,000) galaktyk w zasięgu LIGO II generacji Nowe okno na Wszechświat dostarczy informacji, których fale elektromagnetyczne nie mogą dostarczyć Initial LIGO Advanced LIGO Slide: M. Evans 29

30 Fale grawitacyjne odkryte w 100 lat po sformułowaniu OTW 30

31 GW

32 GW na krzywej czułości 32

33 Biblioteka : wzorców układów NS-NS, NS-BH i BH-BH o różnych parametrach 33

34 Najlepiej dopasowany wzorzec odpowiada układowi BH-BH o parametrach jak w tabelce 34

35 Co ta detekcja oznaczała? Pierwsza detekcja laboratoryjna triumf nauki i techniki Dowód istnienia masywnych czarnych dziur tworzących układy podwójne Potwierdzenie słuszności OTW w procesach koalescencji BH Otwarcie nowego okna na Wszechświat 35

36 GW LVT ! 36

37 Detektory LIGO miały słabe możliwości lokalizacji źródła Niecierpliwie czekano na uruchomienie Virgo! 37

38 VIRGO dołącza o 10 UCT 38

39 39

40 Pierwszy model kilo-nowej (koalescencji dwóch gwiazd neutronowych) ważny dla zrozumienia kosmicznej nukleosyntezy 40

41 GW Nowa era astronomii wielu nośników informacji (multimessenger astronomy) 41

42 GW narodziny astronomii wielu nośników informacji 17 sierpnia 2017 o godz. 12:41:04 UTC detektory LIGO/Virgo zarejestrowały pierwszy w historii sygnał grawitacyjny z koalescencji układu dwóch gwiazd neutronowych (NS-NS) Odpowiadający temu zdarzeniu sygnał elektromagnetyczny został zarejestrowany w promieniach gamma 1.7 s po koalescencji (Fermi Gamma-ray Space Telescope NASA, INTERGAL, Agile) w dziedzinie rentgenowskiej (Swift, Magic, Integral) w świetle widzialnym w podczerwieni 5 artykułów w Nature dedykowany numer ApJ ponad 100 prac ukazało się

43 Linia czasu GW / GRB170817A / SSS17a / AT2017gfo 43

44 Joint multi-messenger detection of GW and GRB170817A 44

45 LCO Las Cumbres Observatory; CTIO Cerro Tololo Inter-American Observatory 45

46 Ewolucja widma KN od niebieskiego ku czerwonemu BB fits 46

47 Przewidywania modeli kilo-nowej widmo czułe na zawartość lantanowców i aktynowców 47

48 48

49 49

50 Co dalej? Uniwersytet Śląski jest członkiem Polskiego Konsorcjum Teleskopu Einsteina Teleskop Einsteina Czułość przewyższająca LIGO II generacji Potężne katalogi zjawisk w skalach kosmologicznych Duże nadzieje Obecnie w fazie badań lokalizacyjnych Tysiące setki tysięcy sygnałów grawitacyjnych od koalescencji NS-NS, NS-BH, BH-BH dziesiątki setki z nich mogą ulec soczewkowaniu grawitacyjnemu 50

51 Różnice w opóźnieniach czasowych między soczewkowanymi obrazami (w EM i GW) umożliwią testowanie prędkości propagacji fal grawitacyjnych 51

52 52

53 Detektory w przestrzeni kosmicznej LISA Projekt zatwierdzony przez ESA w czerwcu

54 Źródła fal grawitacyjnych Relic radiation Cosmic Strings Extreme Mass Ratio Inspirals BH and NS Binaries Supernovae Supermassive BH Binaries Binaries coalescencesspinning NS Hz 10-9 Hz 10-4 Hz 10 0 Hz 10 3 Hz Inflation Probes Pulsar timing Space detectors Ground interferometers Slide Credit: Matt Evans (MIT) Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory 54

55 55

56 56

57 57 57

58 Otwarte zostało nowe okno na Wszechświat możemy oczekiwać wielu nowych odkryć i fascynującej przygody poznawczej 58